具有隔膜和压力释放机构的升流式生物反应器.pdf

一种升流式生物反应器，其包括具有进口和出口的容器，该容器构造成用于升流式操作。该容器内设置有隔膜，限定出下室和上室。该隔膜包括孔，该孔在上室和下室之间提供流体流通。该生物反应器还包括用于释放下室中累积压力的装置。隔膜包括可释放部分，该可释放部分具有打开位置和关闭位置。该可释放部分构造成能够对下室中的压力累积作出响应从而向打开位置移动。处于打开位置时，下室和上室之间的流体流通增大。或者，下室可以包括压力释放管路，该管路通过压力累积而选择性地启动。所述压力释放机构可以防止生物反应器堵塞和/或防止因为高压而对生物反应器造成灾难性损坏。

1.  一种升流式生物反应器，其包括：
具有进口和出口的容器；
设置在所述容器内并且限定出下室和上室的隔膜，所述隔膜具有孔，所述孔在所述下室和所述上室之间提供流体流通；以及
所述隔膜的可释放部分，所述可释放部分具有打开位置和关闭位置，其中，所述隔膜的所述可释放部分构造成能够对所述下室中的累积压力做出响应从而向所述打开位置移动，所述打开位置增加了所述下室和所述上室之间流体流通的面积。

2.  如权利要求1所述的升流式生物反应器，其特征在于，所述隔膜的所述可释放部分包括柔性部件。

3.  如权利要求1所述的升流式生物反应器，其特征在于，所述柔性部件的厚度约为0.15-1.5厘米。

4.  如权利要求1所述的升流式生物反应器，其特征在于，所述可释放部分处于打开位置时，所述孔的直径约为10厘米-2米。

5.  如权利要求1所述的升流式生物反应器，其特征在于，所述可释放部分处于打开位置时，所述孔的直径约为20-100厘米。

6.  如权利要求1所述的升流式生物反应器，其特征在于，所述隔膜的所述可释放部分包括多个柔性部件，这些柔性部件设置在所述隔膜中的所述孔的一部分上方。

7.  如权利要求1所述的升流式生物反应器，其特征在于，在所述下室内还包括生物质，所述生物质包含厌氧菌。

8.  如权利要求1所述的升流式生物反应器，其特征在于，所述上室是密封的，使得所述下室中产生的气体能够收集在所述上室中并引入气体出口中。

9.  如权利要求1所述的升流式生物反应器，其特征在于，在所述孔内还包括固体控制装置。

10.  如权利要求9所述的升流式生物反应器，其特征在于，所述固体控制装置包括推进器。

11.  如权利要求1所述的升流式生物反应器，其特征在于，所述进口设置在所述下室中，所述出口设置在所述上室中，使得在所述生物反应器操作过程中形成升流。

12.  一种升流式生物反应器，其包括：
具有进口和出口的容器；
设置在所述容器内并且限定出下室和上室的隔膜，所述隔膜具有孔，所述孔在所述下室和所述上室之间提供流体流通；
位于所述下室中的生物质，所述生物质包含厌氧菌；
推进器，所述推进器延伸通过所述孔；以及
至少一个柔性部件，所述柔性部件覆盖环绕所述推进器的所述孔的一部分。

13.  如权利要求10所述的升流式生物反应器，其特征在于，多个柔性部件覆盖环绕所述固体控制装置的所述孔的一部分。

14.  如权利要求11所述的升流式生物反应器，其特征在于，还在所述下室内包含生物质，所述生物质包含厌氧菌。

15.  一种升流式生物反应器，其包括：
具有进口和出口的容器；
设置在所述容器内并且限定出下室和上室的隔膜，所述隔膜具有孔，所述孔在所述上室和所述下室之间提供流体流通；
位于所述下室中的用于释放压力的装置，其中，所述装置由所述下室内累积的压力选择性地启动。

16.  如权利要求14所述的升流式生物反应器，其特征在于，还在所述下室中包含生物质，所述生物质包含厌氧菌。

17.  如权利要求14所述的升流式生物反应器，其特征在于，所述上室是密封的，使得所述下室中产生的气体能够收集在所述上室中并引入气体出口中。

18.  如权利要求14所述的升流式生物反应器，其特征在于，还包括设置在所述隔膜的所述孔内的固体控制装置。

19.  如权利要求17所述的升流式生物反应器，其特征在于，所述固体控制装置包括推进器。

20.  如权利要求14所述的升流式生物反应器，其特征在于，用于释放所述下室中压力的所述装置包括所述隔膜的可释放部分，所述可释放部分具有打开位置和关闭位置，其中，所述隔膜的所述可释放部分构造成能够对所述下室中累积的压力做出响应从而向所述打开位置移动，所述打开位置增加了所述下室和所述上室之间的流体流通。

21.  如权利要求19所述的升流式生物反应器，其特征在于，所述隔膜的所述可释放部分包括柔性部件。

22.  如权利要求20所述的升流式生物反应器，其特征在于，所述柔性部件部分地闭锁所述隔膜中的所述孔。

23.  如权利要求14所述的升流式生物反应器，其特征在于，用于释放所述下室中的压力的所述装置包括管道，所述管道与所述下室流体流通，所述管道在所述下室外侧具有出口。

24.  如权利要求22所述的升流式生物反应器，其特征在于，还在所述管道内包含流体，而且流体喷射口构造成能够向所述管道添加额外的流体，从而防止所述管道堵塞。

25.  如权利要求23所述的升流式生物反应器，其特征在于，还包括传感器，所述传感器通过因为所述下室中的压力而移动离开所述管道的流体来启动；还包括电路，所述电路在检测到所述下室中压力过高时能够降低消化器的加载速率。

26.  如权利要求14所述的升流式生物反应器，其特征在于，用于释放所述下室中压力的所述装置包括压力计，在检测到截止压力时，所述压力计启动阀门以释放所述下室中的压力。

具有隔膜和压力释放机构的升流式生物反应器
政府权益
本文所述工作部分地得到美国农业部和美国能源部的拨款(拨款号68-3A75-3-153)的支持。因此，美国政府拥有本发明的某些权益。
技术领域
本发明涉及用于分解有机材料的升流式生物反应器。更具体地说，本发明涉及用于升流式生物反应器的压力释放机构，该生物反应器具有可能堵塞的孔。
背景技术
生物反应器是使用细菌促进有机废料分解或“消化”成简单有机物和气态生物气体产物的装置。生物气体通常是甲烷、二氧化碳、硫化氢和其他挥发性有机化合物的混合物。如果产量足够大，甲烷气可用作燃料。
在废水管理中，尤其在家畜生产中，历史上使用开放式储存容器中的厌氧消化，用以将混合有机物质减少或转化至较小体积。通过减少所处理废物的体积以及通过将一些代谢物蒸发至大气中，已经证明这种方法是经济的。这种方法的一些缺点包括使厌氧消化过程保持平衡的能力差，导致释放出恶臭气体，而且经过消化的有机物质向生物气体的转化不充分不完全。消化速率慢而且产生的甲烷气品质差，使得甲烷气的经济回收在开放式储存容器中通常是不可行的。
已经多次尝试使用封闭式容器分解有机废物。已经显示出非常高的分解速率的一种封闭式容器反应器是升流式厌氧淤渣覆盖层反应器。在这种反应器中，将废料引入反应器底部，迫使其向上通过容器，废料在该过程中通过细菌覆盖层，细菌分解有机材料并产生生物气体，可以收集生物气体并用作燃料。
要在升流式生物反应器中实现高分解速率，应当良好地建立细菌培养物。升流式生物反应器的一个重要优点是，它能够连续操作。因此，一旦建立起细菌培养物，就能在长期时间内(例如几个月或甚至几年)获得高消化速率。
最近开发了一种升流式反应器，它在启动时诱发形成细菌培养物，并且在操作过程中保持较厚或较为富集的细菌培养物。这些优点通过将隔膜靠近反应器流体平面顶部设置而实现。隔膜使悬浮固体在靠近反应器顶部处从流体中沉降出去。这些固体沉降回到继续消化的生物质中。隔膜保留的固体经常包含细菌。通过将这些固体保留在消化器中，隔膜保持了较好的细菌培养物，并促进更完全的消化。具有隔膜的升流式反应器能够明显缩短消化保持时间。
在升流式生物反应器中使用隔膜的一个问题是，堵塞机会增加。为了使流出物能够离开消化器，隔膜具有孔。孔限制了流动，因此容易堵塞。如果孔堵塞，随着细菌持续产生生物气体，就会在下室中累积极高的压力。
孔的尺寸对孔是否堵塞产生显著影响。虽然较大直径的孔能减小堵塞发生率，但是直径大到足以防止所有堵塞现象的孔将严重降低隔膜保留悬浮固体的能力。
发明内容
本发明涉及用于分解有机材料产生生物气体的升流式生物反应器。该生物反应器包括用于促进消化的隔膜，以及用于释放累积压力的压力释放机构，压力累积现象可能在生物反应器堵塞时发生。
本发明的生物反应器包括具有进口和出口的容器，进口用于接受有机材料，出口用于排出生物反应器流出物。在容器中设置了隔膜，隔膜限定出下室和上室。下室中容纳了包含适合于分解有机材料的细菌的生物质。
隔膜包括孔，该孔在下室和上室之间提供流体流通。生物气体和经过消化的材料经由孔离开下室进入上室。隔膜包括可释放部分，该可释放部分可以在打开位置和关闭位置之间移动。可释放部分构造成能够对下室中的压力累积作出响应从而向打开位置移动。打开可释放部分增加了敞开面积，从而增大了下室和上室之间的流体流通，使得能够从下室喷出堵塞材料和/或释放下室中累积的压力。
在一个备选实施方式中，通过离开下室的管道释放下室中累积的压力。该管道中可以充填流体，用以防止下室的内容物在正常操作过程中逃逸。如果隔膜中的孔堵塞，则下室中累积的压力迫使流体向外运动，使得过量的气体和流体离开消化器而不会损坏容器结构。
在另一个备选实施方式中，压力计监测到下室中的压力累积，从而打开阀门释放过多的压力。
可结合在本发明生物反应器中的压力释放机构可以有利地与隔膜和孔组合使用。压力释放机构使得消化器工作时对通过隔膜中孔的流体的限制大于不使用压力释放机构时的情况。与没有压力释放机构而且具有较大的孔用以防止反应器堵塞和损坏的消化器相比，对流体进行限制增加了对固体的保留并且最大限度地提高了消化器的性能。当有利的较小且限制较大的孔堵塞时，可以经由压力释放机构使堵塞材料逃逸，或者使过多的压力释放，直到清除了堵塞物。
组合使用压力释放机构和隔膜是特别有利的，因为这样可以控制孔的尺寸，最大程度地提高消化器的性能，同时避免发生受限流动导致堵塞的现象。
通过以下说明和所附权利要求，本发明的这些和其他优点以及特征将是更加显而易见的。
附图说明
为了进一步阐明本发明的以上和其他优点以及特征，将参考附图中说明的具体实施方式，对本发明进行更具体的说明。应当理解，这些附图仅仅描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为附图是对发明范围的限制。将通过附图更具体详细地描述和说明本发明，附图中：
图1示出根据本发明的一种示范性生物反应器，该生物反应器的一部分被拆除，从而显示出内部部件；
图2是图1生物反应器的一部分的截面图；
图3是图1生物反应器的一部分的立体图；
图4是图1生物反应器的隔膜、压力释放机构和推进器的截面图；
图5是图1生物反应器的一部分的立体图，图中表示了压力释放机构的一部分的打开位置；
图6示出根据本发明的一种示范性生物反应器，其包括备选的压力释放机构。
具体实施方式
I.简介
本发明的升流式生物反应器能有利地提供有机废物的快速分解，同时很少或不发生堵塞的情况。本发明生物反应器包括隔膜，其有助于将固体保留在生物反应器内，本发明生物反应器还包括压力释放机构，如果生物反应器下室中累积了过多压力，则压力释放机构将启动。压力释放机构能够防止生物反应器堵塞和/或防止因为高压对生物反应器造成灾难性损坏。
II.升流式生物反应器
图1说明根据本发明一个实施方式的示范性生物反应器10。生物反应器10包括容器12，容器12中可以引入有机材料(例如污物)并对其进行处理。容器12中设置有隔膜14，形成下室16和上室18。隔膜14中的孔20在下室16和上室18之间提供流体流通。隔膜14还包括压力释放机构30，该机构能够通过增加孔20的敞开面积从而释放下室16中累积的压力。生物反应器10任选包括推进器32，用以促进保留通过孔20的流出物中悬浮的固体。推进器可以由外壳34内封装的驱动组件来驱动。
生物反应器10构造成用于升流式操作。下室16中设有进口22，用以引入待分解的有机材料。通常将泵连接至进口22，用以提供引入有机材料的压力。上室18中设有出口24，使得流出物能够离开生物反应器10。下室16中进口22的布局以及上室18中出口24的布局在操作过程中在生物反应器10中形成升流。生物反应器10中的升流可以是连续或半连续的。
下室16中装有生物质26。生物质26包括微生物培养物和待分解的有机材料。生物反应器10中的升流慢到足以在下室16的生物质26中形成细菌的淤渣覆盖层。迫使有机材料(例如动物废物)缓慢地向上通过淤渣覆盖层，在淤渣覆盖层中有机材料分解成较小的有机分子和生物气体。根据生物反应器10中待分解的具体有机材料，对生物质26中存在的微生物培养物进行选择。在一个示范性实施方式中，微生物培养物包含厌氧菌。在一些有机废物(例如未消毒的动物粪肥)中厌氧菌可以天然生成。
只要具有能降解有机材料的微生物培养物，就可以在生物反应器10中分解任何有机材料，引入生物反应器中的有机材料可以是与微生物混合的形式。本发明生物反应器中可以消化的合适有机材料的例子包括由农产品加工业、牧业和农业产生的动物废物，食品加工废物，人粪尿等。
在一个优选的实施方式中，对微生物培养物的种类和有机材料的种类进行选择，使得有机材料的分解产生生物气体。可以密封上室18，从而在上室18中收集生物气体。气体出口28使得生物气体能够传送离开生物反应器10。生物气体可以有利地用作燃料。例如，需要时可以燃烧生物气体，可以使用燃烧热量来保持生物反应器10中的优化操作温度。
图2显示生物反应器10的一部分的截面图。容器12内的流体具有流体平面36。流体平面36通过流出物出口24和/或流出物管路38得以保持。流体平面36设置在容器12顶部的下方，从而在生物反应器流体和容器12顶部之间形成气体收集室。
隔膜14设置在容器12内流体平面36下方的位置。隔膜14可以是刚性或半刚性的，可以由与生物反应器流体相容的任意材料制造，包括但并不限于塑料、金属等。隔膜14可以由多个板形成，或者，隔膜14可以是单片整体化材料。隔膜14可以以任何方式固定在容器12的内侧。
在一个示范性实施方式中，隔膜14以从容器12的侧壁向孔20的方向向上倾斜。倾斜式隔膜14能促进对沉降在上室18中的材料的清除。倾斜式隔膜还有利于确保下室16中的生物气体向孔20运动。但是，本发明也可以用水平隔膜进行。在一个实施方式中，对孔20的尺寸和形状进行选择，从而最大程度地减少固体从下室的逃逸，并且最大程度地减少因为通过孔的固体引起孔堵塞的情况。
在一个示范性实施方式中，推进器32以可操作的方式连接于机壳12并且设置在隔膜14的孔20内。推进器32可以是能够设置在孔20内并且能够以所需方向在上室18和下室16之间或其内移动固体的任意装置。在一个示范性实施方式中，推进器包括一个轴以及一个或多个翼片，这些翼片构造成能够沿着平行于轴的方向移动材料。图2中所示的推进器32包括轴31和连续旋进的翼片33。
顺时针旋转时，推进器32产生与生物反应器中的流体流动相反的作用力。在优化或“正常”操作条件过程中，推进器32的旋转方向与生物反应器流体流动的方向相反。这种逆流作用力倾向于使通过孔20的流出物中悬浮的固体沉降出来。如果孔20堵塞，则推进器32可以反方向旋转，从而使固体移动到隔膜上方的位置，在这个位置上能够更轻易地清除固体。
提供推进器32和隔膜14，从而帮助形成和保持生物质26。通过将细菌保留在下室16中，隔膜14和推进器32保留了更多的细菌，可用于分解供应至生物反应器10中的有机材料。与使用其他生物反应器消化有机废物相比，通过使用推进器和隔膜，能够更快速和更有效地处理有机材料。另外，使用隔膜和/或推进器提高了离开生物反应器的流出物的澄清度。
为了防止在下室16中出现堵塞和/或压力累积，生物反应器10包括压力释放机构。图3-5说明了根据本发明的一个示范性压力释放机构的实施方式。图3说明的压力释放机构30以隔膜14的可释放部分作为例子。压力释放机构30包括多个柔性部件(例如，柔性部件40a、40b和40c，统一表示为柔性部件40)，这些部件能够对下室16中的压力累积作出响应从而发生弯曲。如图4中所示，柔性部件40在第一端部42与隔膜连接，而在第二端部44是自由的。在一个实施方式中，柔性部件40通过环46和螺栓47与隔膜14连接。但是，只要各柔性部件的一部分能够自由地弯曲打开，就可以使用任何连接装置。
压力释放机构30使得隔膜14具有尺寸可变的孔。压力释放机构30处于关闭位置时，孔20具有第一尺寸。压力释放机构30处于打开位置时，孔20具有较大的尺寸，使得上室和下室之间的流体流通增加。处于打开位置时，孔20的尺寸可以大到足以通过否则会堵塞该孔的材料。处于关闭位置时，柔性部件40延伸超出敞开空间的一部分，从而减少上室和下室之间的流体流通。只要下室16中没有累积过多压力，就能迫使流出物绕过柔性部件40并且向上通过由柔性部件40的第二边缘(例如边缘44)限定出的孔。
如果下室16中发生压力累积，则迫使柔性部件40向上，从而打开压力释放机构30，增加孔20的面积。使得否则可能堵塞该孔的材料能够进入上室，从上室排出。图5显示了几个柔性部件，它们向上弯曲，从而增加了下室16和上室18之间的流体流通。
可以对柔性部件40的尺寸进行设计，构造成能够对下室16中的压力具体值作出响应从而向上弯曲。柔性部件的尺寸(包括长度、宽度和厚度)通常会影响启动柔性部件所需的作用力(即累积的压力)。较厚较硬的材料倾向于在释放前累积较大的压力。在一个实施方式中，柔性部件是橡胶和/或厚度约为0.15-1.5厘米。
可以对隔膜的可释放部分以及孔的尺寸进行设计，用以提供使压力释放机构30处于打开位置的几乎任意的孔直径。用于打开位置的合适孔径的例子可以约为10厘米-2米，或者为20-100厘米。较小的孔的一个优点是，可以不很困难地保持关闭位置同时使压力低于选定水平。但是，如果可释放部分的刚性足够大和/或如果使用了合适的释放装置，则较大的孔仍然是可行的。
可以对可释放部分处于关闭位置时孔20的尺寸进行选择，从而使固体的保留率最大化。可释放部分关闭时，孔的尺寸通常约为1-20厘米，或者约为2-10厘米。孔的优选尺寸取决于待消化材料的种类，生物反应器的尺寸，以及是否存在推进器。
在一个备选的实施方式中，柔性部件可以是单片材料或者可以分成若干片，后一种情况下，柔性部件的数量大于或小于压力释放机构30的数量。柔性部件还可以不一定沿着其整个长度为柔性的，只要柔性部件的一部分足够柔软，使得柔性部件能够向打开位置移动即可。
将压力释放机构30环绕推进器32和孔20布局可能是有利的，原因在于，使堵塞孔20的材料通过推进器32，能够释放下室16中累积的压力。但是，需要时可以将隔膜14的可释放部分远离孔20布局。在这个实施方式中，启动柔性部件或其他可释放部分能够打开隔膜中完全不同的孔。
还可以使用除了柔性部件之外的机构来增加上室和下室之间的流体流通，从而实施本发明。例如，隔膜的一部分可以对压力作出响应从而以铰链方式打开。上述机构(包括上述柔性部件)是用于释放生物反应器的下室中压力的装置的例子。
图6说明了用于释放生物反应器10下室中压力的一种备选机构。在该实施方式中，在下室16中设置压力释放出口48。出口48通向压力释放管路50。压力释放管路50可以在流出物管路38中开有端口，或者管路50可以是循环的。
在一个示范性实施方式中，压力释放管路50在流体平面36的上方延伸。通过使压力释放管路在流体平面36的上方延伸，能够防止压力释放管路导致生物反应器泄漏。一旦压力释放管路充填了流体直至流体平面36，流体就不能通过出口48流出下室16，除非累积了足够的压力迫使压力释放管路50中的流体超过流体平面36。如果下室16中累积了过多的压力，则压力释放管路50中的流体会流进流出物管路38中，从而使流体离开下室18并且释放过多的压力。压力释放管路50是用于释放生物反应器下室中的压力的装置的一个例子。除了压力释放管路50之外，生物反应器10在需要时可以在隔膜14中包括可释放部分。
在一个示范性实施方式中，压力释放管路50包括喷水器52。喷水器52能够周期性地将水喷射进压力释放管路50中，用以防止压力释放管路堵塞。通过周期性地向压力释放管路50添加少量水，用非常缓慢和/或周期性的向内水流保持管路清洁。
在一个示范性实施方式中，压力释放管路还可以包括流动检测器，其检测压力释放管路50中的向外的流体流动。当生物反应器流体通过压力释放管路50离开反应器时，流动检测器使消化器的加载减缓或停止。另外，可以使用流动检测器向操作人员报告存在的问题。
可以在不偏离本发明原理或基本特征的情况下以其他具体形式实施本发明。应当认为所述实施方式在所有方面都仅仅是说明性的，而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而非以上说明指示。落在权利要求等同项的含义和范围之内的所有变化都包括在权利要求的范围内。